典型機(jī)外技術(shù)對(duì)工況法油耗測(cè)試結(jié)果影響的研究

李 偉，于津濤，楊正軍

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心 北京 100176)

0 引 言

汽車(chē)油耗水平一直得到業(yè)界內(nèi)外的廣泛關(guān)注，而油耗高低是汽車(chē)內(nèi)在因素與外在技術(shù)綜合作用的結(jié)果。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)通過(guò)采用輕量化材料，可變排量、可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，缸內(nèi)直噴加增壓等技術(shù)，使油耗相比以前有了大幅降低。近些年來(lái)日益興起的機(jī)外技術(shù)也對(duì)油耗降低產(chǎn)生了不同程度的影響，比較典型的主要包括START&STOP啟停裝置、低阻力輪胎、能量回收發(fā)電機(jī)、智能充電系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向等技術(shù)，同時(shí)車(chē)輛是否進(jìn)行磨合也是測(cè)試條件對(duì)油耗的一個(gè)影響因素。

本文研究這些新技術(shù)以及在不同的測(cè)試條件下，車(chē)輛采用工況法測(cè)量油耗變化的情況，得出其影響比例，并對(duì)試驗(yàn)測(cè)試帶來(lái)的新問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)描述

1.1 試驗(yàn)車(chē)輛

針對(duì)不同的典型機(jī)外技術(shù)及試驗(yàn)條件，分別選取采用這些技術(shù)的試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。選取 3臺(tái)車(chē)輛進(jìn)行低阻力輪胎的油耗影響試驗(yàn)驗(yàn)證，選取2臺(tái)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行啟停裝置對(duì)油耗影響試驗(yàn)驗(yàn)證，再選取1臺(tái)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行帶能量回收發(fā)電機(jī)裝置對(duì)油耗影響試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用滿(mǎn)足國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，主要測(cè)試設(shè)備和儀器見(jiàn)表1所示。

1.3 試驗(yàn)方案

針對(duì) START&STOP啟停裝置、低阻力輪胎、能量回收發(fā)電機(jī)、智能充電系統(tǒng)這些機(jī)外技術(shù)以及是否磨合、充電的試驗(yàn)條件開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)，所選車(chē)輛均進(jìn)行GB 18352.3-2005中規(guī)定的I型冷啟動(dòng)排放試驗(yàn)，采用NEDC工況循環(huán)，在每次試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)車(chē)輛油耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。[1]最終確定這些因素對(duì)油耗測(cè)試的影響比例，并力圖在試驗(yàn)過(guò)程中加以規(guī)范。

表1 試驗(yàn)主要測(cè)試儀器和設(shè)備Tab.1 Main testing instrumentation

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 磨合條件對(duì)油耗的影響

選取同一型號(hào) 3臺(tái)試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行磨合條件對(duì)油耗影響的試驗(yàn)，按照統(tǒng)一的磨合方法進(jìn)行，車(chē)輛以80,km/h的速度行駛 3,000,km，保持起步平穩(wěn)，踩踏油門(mén)輕緩，避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高的方法進(jìn)行，車(chē)輛在磨合前后試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 磨合條件對(duì)油耗的影響Tab.2 Influence of running-in condition on fuel consumption

圖1 磨合前、后測(cè)功機(jī)阻力比較Fig.1 Contrast of dynamometer’s resistance pre and post running-in test

由于3臺(tái)車(chē)為同一型號(hào)，磨合前3臺(tái)車(chē)阻力基本一致，在圖1中用磨合前阻力表示。磨合后3臺(tái)車(chē)分別進(jìn)行滑行試驗(yàn)，得出各自的測(cè)功機(jī)施加阻力。從圖1中可以看出，磨合后阻力在50,km/h以上時(shí)均小于磨合前阻力，隨著車(chē)速的增加這種趨勢(shì)越來(lái)越大；70,km/h以上時(shí)兩者相差 10%左右，在車(chē)速 120,km/h時(shí)最多達(dá)到 17%。磨合期間降低了車(chē)輛各旋轉(zhuǎn)部件的內(nèi)阻，進(jìn)而降低了油耗。

根據(jù)現(xiàn)行法規(guī)GB 19233-2008，廠家可以選用磨合求漸變系數(shù)或者乘以0.92。從目前幾個(gè)車(chē)的結(jié)果來(lái)看，0.92的系數(shù)設(shè)定有些偏小。為進(jìn)一步規(guī)范試驗(yàn)，需要對(duì)更多車(chē)輛進(jìn)行摸底，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)對(duì)磨合的依賴(lài)程度。

2.2 不同輪胎對(duì)油耗的影響

輪胎阻力系數(shù)的不同，會(huì)直接影響滾動(dòng)阻力和加速阻力，所以會(huì)直接影響車(chē)輛工況法油耗值。通過(guò)對(duì)同一型號(hào)3臺(tái)試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行低阻力輪胎、普通阻力輪胎油耗試驗(yàn)，研究其對(duì)工況法油耗的影響程度。表 2是其他設(shè)定不變的情況下，3臺(tái)試驗(yàn)車(chē)僅換裝不同阻力輪胎時(shí)車(chē)輛工況法油耗的試驗(yàn)結(jié)果。

表3 不同輪胎對(duì)油耗的影響Tab.3 Influence of tyres on fuel consumption

從表3中可以看出，3臺(tái)試驗(yàn)車(chē)換裝普通阻力輪胎后，阻力系數(shù)增大，油耗均升高，上升油耗量為0.11～0.2,L/100,km，上升變化率為1.7%～3.1%。綜合表1和表2可以得出，輪胎阻力對(duì)油耗的影響程度要大于磨合條件對(duì)油耗的影響。

由于輪胎影響較大，建議對(duì)以低阻力輪胎申報(bào)低油耗的車(chē)型，在試驗(yàn)時(shí)需驗(yàn)證試驗(yàn)車(chē)輛的一致性。

2.3 啟停技術(shù)對(duì)油耗的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)啟停 STAR&STOP技術(shù)可以使車(chē)輛在怠速時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，并在需要時(shí)快速啟動(dòng)，該技術(shù)能夠有效降低怠速時(shí)的油耗，怠速工況的油耗下降會(huì)直接影響整個(gè) NEDC工況循環(huán)的燃油消耗量。整個(gè)NEDC工況循環(huán)時(shí)間為 1,180,s，其中 ECE階段怠速工況時(shí)間為 240,s，占總時(shí)間 780,s的 30.8%，EUDC階段怠速工況時(shí)間為 40,s，占總時(shí)間 400,s的 10%，ECE階段怠速工況比例大于EUDC階段。

選取2臺(tái)試驗(yàn)車(chē)，進(jìn)行開(kāi)啟啟停裝置與關(guān)閉啟停裝置的工況法油耗對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中可以看出，開(kāi)啟啟停裝置后試驗(yàn)車(chē)輛的油耗有較大幅度的下降，降低了 0.4,L/100,km和0.6,L/100,km，下降變化率為 5.3%與 8.82%。對(duì)于工況法油耗測(cè)試，啟停裝置啟用與否對(duì)油耗測(cè)試有更為明顯的影響，開(kāi)啟啟停裝置可以大幅降低燃油消耗量。

表4 啟停裝置對(duì)油耗的影響Tab.4 Influence of start&stop device on fuel consumption

圖2 1#車(chē)EC E工況下啟停開(kāi)、關(guān)對(duì)比Fig.2 Contrast of switch on-off of Start&Stop of 1# Vehicle under EC E work condition

圖3 2#車(chē)EC E工況下啟停開(kāi)、關(guān)對(duì)比Fig.3 Contrast of switch on-off of Start&Stop of 2# Vehicle under EC E work condition

圖 2與圖 3分別為 1#與 2#試驗(yàn)車(chē)?yán)鋯?dòng)情況下，開(kāi)啟與關(guān)閉啟停功能時(shí) CO2排放量的對(duì)比圖。從圖中可以看出在怠速階段，開(kāi)啟啟停功能時(shí)車(chē)輛的CO2排放量明顯低于關(guān)閉該功能時(shí)，而CO2的排放量直接關(guān)系到最終燃油消耗量的計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速時(shí)停止工作，減少怠速時(shí) CO2的排放，進(jìn)而降低整體的油耗水平。

圖4為1#試驗(yàn)車(chē)開(kāi)啟啟停功能，在冷、熱啟動(dòng)情況下 CO2排放量的對(duì)比圖。從圖中可以看出在第1個(gè)城市循環(huán)中，熱啟動(dòng)時(shí)CO2排放量明顯低于冷啟動(dòng)，在剩余的NEDC循環(huán)中冷、熱啟動(dòng)時(shí)CO2排放水平相當(dāng)，因此 1#試驗(yàn)車(chē)熱啟動(dòng)情況下油耗為7.0,L/100,km，略低于冷啟動(dòng)情況。

圖4 1#車(chē)EC E工況下冷、熱啟動(dòng)對(duì)比Fig.4 Contrast of cold and warm start of 1# Vehicle under EC E work condition

2.4 能量回收系統(tǒng)對(duì)油耗的影響

本文選取1臺(tái)配有能量回收系統(tǒng)的試驗(yàn)車(chē)，進(jìn)行關(guān)閉/開(kāi)啟能量回收系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表 5所示。

表5 能量回收系統(tǒng)對(duì)油耗的影響Tab.5 Influence of energy recovery system on fuel consumption

從表5中可以看出，啟用能量回收系統(tǒng)后油耗降低了 0.5,L/100,km，下降變化率為 6.17%。該系統(tǒng)是將發(fā)電機(jī)和電池能源管理系統(tǒng)結(jié)合使用，在駕駛過(guò)程中存儲(chǔ)制動(dòng)和減速時(shí)的能量，在加速或啟動(dòng)時(shí)再將此部分能量釋放出來(lái)，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，減少燃料消耗，達(dá)到降低油耗的目的。

圖5 能量回收系統(tǒng)充放電瞬態(tài)圖Fig.5 Charge-discharge transient diagram of energy recovery system

圖5為能量回收系統(tǒng)充放電瞬態(tài)圖，圖中(- - -)表示關(guān)閉能量回收系統(tǒng)時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電流，(——)表示開(kāi)啟能量回收系統(tǒng)時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電流。從中可以看出開(kāi)啟能量回收系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)運(yùn)行工況的減速段都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電流峰值，這是能量回收系統(tǒng)在存儲(chǔ)制動(dòng)和減速時(shí)的能量，而關(guān)閉該系統(tǒng)時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的電流變化。在NEDC工況后期由于電瓶電量的消耗，能量回收發(fā)電機(jī)會(huì)持續(xù)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。

3 結(jié) 論

①車(chē)輛磨合后可以降低工況法燃油消耗量，其影響比例不大于 2%。車(chē)輛磨合后測(cè)功機(jī)模擬的道路阻力小于磨合前，是造成油耗下降的主要原因。②輪胎阻力系數(shù)直接影響滾動(dòng)阻力和加速阻力，低阻力輪胎的應(yīng)用可以降低燃耗量，其影響比例為 3%左右，選擇最適合的低阻力輪胎能夠減少車(chē)輛對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求，配合平滑的車(chē)身能更好的降低燃料消耗和排放。③NEDC循環(huán)工況中 ECE階段怠速工況時(shí)間為240,s占 30.8%，EUDC階段怠速工況時(shí)間為 40,s占10%，啟停技術(shù)對(duì)油耗下降的影響為5%～9%，起到較大的作用。④能量回收系統(tǒng)對(duì)油耗降低的影響為6%，該系統(tǒng)回收車(chē)輛在制動(dòng)或慣性滑行中釋放出的多余能量，并通過(guò)發(fā)電機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能，再儲(chǔ)存在蓄電池中，用于之后的運(yùn)行，降低了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的依賴(lài)，減少了二氧化碳排放。

總之，通過(guò)試驗(yàn)研究了解各種機(jī)外技術(shù)對(duì)燃油消耗量的影響，在實(shí)驗(yàn)室中采用工況法測(cè)量油耗時(shí)，應(yīng)對(duì)這些因素加以控制，以便正確的測(cè)量車(chē)輛油耗。

［1］ 國(guó)家環(huán)境保總局. 輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段)[S]. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

［2］ 鄭賀悅，陸紅雨，戴春蓓，等. 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)車(chē)輛油耗測(cè)量影響因素研究[J]. 汽車(chē)工程，2004(3)：32-35.

［3］ 潘飛，段娜，劉杰．不確定度評(píng)定在發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試中的應(yīng)用[J]. 重型汽車(chē)，2012(6)：29-31.